Ген экспрессируется что значит

Экспрессия генов

Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков.

Регуляция экспрессии генов позволяет клеткам контролировать собственную структуру и функцию и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Экспрессия генов является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественными характеристиками экспрессии одного гена может иметь влияние на функции других генов в целом организме.

Содержание

Транскрипция и трансляция

У прокариот и эукариот гены представляют собой последовательности нуклеотидов ДНК. На матрице ДНК происходит транскрипция — синтез комплементарной РНК. Далее на матрице мРНК происходит трансляция — синтезируются белки. Существуют гены, кодирующие нематричную РНК (например, рРНК, тРНК, малые РНК), которые экспрессируются (транскрибируются), но не транслируются в белки.

Регуляция

Компактизация ДНК

Привлечение факторов транскрипции

Регуляция после транскрипции

МикроРНК — это короткие (18—25 нуклеотидов) последовательности односпиральной РНК, вызывают подавление экспрессии генов. МикроРНК связываются со своей мишенью — информационной РНК — по принципу комплементарности . Это вызывает подавление синтеза белка или деградацию информационной РНК.

МикроРНК могут иметь большую или меньшую специфичность благодаря большей или меньшей доле комплементарных своей мишени азотистых оснований. Низкая специфичность позволяет одной микроРНК подавлять экспрессию сотен разных генов. [1]

Моноаллельная экспрессия генов

Моноаллельная экспрессия у эукариот характерна:

• для генов Х-хромосомы в женских клетках из-за механизма дозовой компенсации;
• для импринтируемых генов;
• В настоящее время известно, что около 5—10 % генов эукариот экспрессируются в клетках моноаллельно, среди таких генов чаще наблюдаются гены, кодирующие поверхностные клеточные белки и, в частности, гены, кодирующие иммуноглобулины, Т-клеточные и обонятельные рецепторы. Это явление носит также название аллельное исключение. Выбор экспрессирующегося аллеля происходит рано в развитии, и этот выбор осуществляется случайно, в результате около половины клеток организма экспрессируют отцовский аллель, а другая половина клеток — материнский аллель. Иногда наблюдается тканеспецифичная моноаллельная экспрессия гена, в других тканях такой ген может экспрессироваться биаллельно. К случайной моноаллельной экспрессии аутосомных генов не относят случаи, когда разные алллели гена экспрессируются на различном уровне из-за полиморфизма в cis-регуляторных последовательностях гена [2] .

См. также

Примечания

1. ↑ Klipp, E.; Liebermeister, W.; Wierling, C.; Kowald, A.; & Lehrach, H. (2009). Systems Biology, 235—245. Federal Republic of Germany: Wiley Blackwell, ISBN 978-3-527-31874-2
2. ↑ Chess A (June 2012). «Mechanisms and consequences of widespread random monoallelic expression». Nat. Rev. Genet.13 (6): 421–8. PMID 22585065.

Литература

• Патрушев Л. И. Экспрессия генов. — М.: Наука, 2000. — ISBN 5-02-001890-2

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Экспрессия генов» в других словарях:

экспрессия генов — Преобразование информации, заложенной в ДНК в белок [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN gene expression … Справочник технического переводчика

Экспрессия генов — (от лат. expressio выражение) сложный молекулярный процесс в результате которого информация содержащаяся в ДНК (или РНК) молекуле преобразуется в вещество (белок, фермент) … Физическая Антропология. Иллюстрированный толковый словарь.

Клеточно-специфическая экспрессия генов — * клетачна спецыфічная экспрэсія генаў * cell specific gene expression экспрессия только определенной части генома в определенных клетках и в определенное время, которая происходит под контролем транскрипционных факторов, включающих и выключающих … Генетика. Энциклопедический словарь

генов поток — * генаў паток * gene flow обмен генами между разными популяциями одного и того же вида за счет мигрантов, что приводит к временному изменению частоты генов многих локусов в общем пуле генов (см. ) популяции реципиента (см. ). Генов распределение… … Генетика. Энциклопедический словарь

Экспрессия гена — Экспрессия генов это процесс, в котором наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время… … Википедия

Экспрессия — Экспрессия (лат. expressio выражение): В Викисловаре есть статья «экспрессия … Википедия

Экспрессия белков — * экспрэсія бялкоў * protein expression синтез белков в клетке под контролем соответствующих генов. При вставке рекомбинантного гена в клетку хозяина экспрессируют нужный исследователю белок. Многие методики и технологии базируются на Э. б., при… … Генетика. Энциклопедический словарь

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНА — программируемый геномом процесс биосинтеза белков и(или) РНК. При синтезе белков Э. г. включает транскрипцию синтез РНК с участием фермента РНК полимеразы; трансляцию синтез белка на матричной рибонуклеиновой кислоте, осуществляемый в рибосомах,… … Химическая энциклопедия

геномная библиотека банк генов — геномная библиотека, банк генов * геномная бібліятэка, банк генаў * genomic library or gene bank набор клонированных фрагментов ДНК, представляющих индивидуальный (групповой, видовой) геном. У млекопитающих (в т. ч. человека) геномы крупные,… … Генетика. Энциклопедический словарь

Импринтинг генов — Геномный импринтинг это эпигенетический процесс, при котором экспрессия определенных генов осуществляется в зависимости от того, от какого родителя поступил аллель гена. Это ненаследуемый процесс, который не подчиняется наследованию по Менделю.… … Википедия

Источник

Экспрессия гена

Экспрессия гена — это процесс, с помощью которого информация от гена используется в синтезе функционального генного продукта, который позволяет ему производить конечные продукты, белок или некодирующую РНК , и в конечном итоге влиять на фенотип в качестве конечного эффекта. Эти продукты часто являются белками , но в генах, не кодирующих белки, таких как транспортная РНК (тРНК) и малая ядерная РНК (мяРНК) , продукт представляет собой функциональную некодирующую РНК . Экспрессия генов резюмируется в центральной догме молекулярной биологии, впервые сформулированной Фрэнсисом Криком в 1958 г. [1] далее развился в его статье 1970 года [2] и расширен последующими открытиями обратной транскрипции [3] [4] [5] и репликации РНК . [6]

Процесс экспрессии генов используется всей известной жизнью — эукариотами (включая многоклеточные организмы ), прокариотами ( бактериями и архей ) и вирусами — для создания макромолекулярного аппарата для жизни.

В генетике экспрессия генов является наиболее фундаментальным уровнем, на котором генотип порождает фенотип , то есть наблюдаемый признак. Генетическая информация, хранящаяся в ДНК, представляет генотип, тогда как фенотип является результатом «интерпретации» этой информации. Такие фенотипы часто выражаются синтезом белков, которые контролируют структуру и развитие организма или действуют как ферменты, катализирующие определенные метаболические пути.

Все этапы процесса экспрессии гена можно модулировать (регулировать), включая транскрипцию , сплайсинг РНК , трансляцию и посттрансляционную модификацию белка. Регуляция экспрессии генов дает контроль над временем, местоположением и количеством продукта данного гена (белка или нкРНК), присутствующего в клетке, и может оказывать сильное влияние на клеточную структуру и функцию. Регуляция экспрессии генов является основой клеточной дифференциации , развития , морфогенеза, а также универсальности и приспособляемости любого организма . Следовательно, генная регуляция может служить субстратом для эволюционных изменений.

Транскрипция

Производство РНК — копии из цепи ДНК называется транскрипцией , и осуществляется РНК полимераз , которые добавляют один рибо нуклеотид в то время , к растущей цепи РНК согласно комплементарности закону нуклеотидных оснований. Эта РНК комплементарна матричной 3 ‘→ 5’ цепи ДНК [7], за исключением того, что тимины (T) заменены урацилами (U) в РНК.

У прокариот транскрипция осуществляется одним типом РНК-полимеразы, которая должна связывать последовательность ДНК, называемую боксом Прибноу, с помощью белка сигма-фактора (σ-фактор), чтобы начать транскрипцию. У эукариот транскрипция осуществляется в ядре тремя типами РНК-полимераз, каждая из которых требует особой последовательности ДНК, называемой промотором, и набора ДНК-связывающих белков — факторов транскрипции — для запуска процесса (см. Регуляцию транскрипции ниже). . РНК-полимераза I отвечает за транскрипцию генов рибосомной РНК (рРНК). РНК-полимераза II (Pol II) транскрибирует все гены, кодирующие белок, но также некоторые некодирующие РНК ( например , мяРНК, мяноРНК или длинные некодирующие РНК). РНК-полимераза III транскрибирует 5S рРНК, гены транспортной РНК (тРНК) и некоторые небольшие некодирующие РНК ( например , 7SK ). Транскрипция заканчивается, когда полимераза встречает последовательность, называемую терминатором .

обработка мРНК

В то время как транскрипция генов, кодирующих прокариотические белки, создает информационную РНК (мРНК), готовую к трансляции в белок, транскрипция эукариотических генов оставляет первичный транскрипт РНК ( пре-РНК ), который сначала должен пройти ряд модификаций, чтобы стать зрелая РНК. Типы и шаги, участвующие в процессах созревания, различаются между кодирующими и некодирующими преРНК; т.е. даже несмотря на то, что молекулы преРНК как для мРНК, так и для тРНК подвергаются сплайсингу, этапы и задействованные механизмы различны. [8] Процессинг некодирующей РНК описан ниже (созревание некодирующей РНК).

Обработка premRNA включают в себя 5 ‘ укупорки , который установлен ферментативных реакций , которые добавляют 7-метилгуанозин (м 7 г) к 5′ — концу premRNA и таким образом защищают РНК от деградации под действием экзонуклеазы . Затем кэп m 7 G связывается гетеродимером комплекса связывания кэпа (CBC20 / CBC80), который способствует экспорту мРНК в цитоплазму, а также защищает РНК от декапирования.

Другая модификация — это 3′- расщепление и полиаденилирование . Они возникают, если сигнальная последовательность полиаденилирования (5′-AAUAAA-3 ‘) присутствует в пре-мРНК, которая обычно находится между последовательностью, кодирующей белок, и терминатором. Пре-мРНК сначала расщепляется, а затем добавляется серия из

200 аденинов (A) для образования поли (A) хвоста, который защищает РНК от деградации. Поли (A) хвост связан множеством поли (A)-связывающих белков (PABP), необходимых для экспорта мРНК и повторной инициации трансляции. В обратном процессе деаденилирования поли (A) хвосты укорачиваются экзонуклеазой CCR4-Not 3′-5 ‘, что часто приводит к полному распаду транскрипта.

Очень важной модификацией пре-мРНК эукариот является сплайсинг РНК . Большинство эукариотических пре-мРНК состоят из чередующихся сегментов, называемых экзонами и интронами . В процессе сплайсинга каталитический комплекс РНК-белок, известный как сплайсосома, катализирует две реакции переэтерификации, которые удаляют интрон и высвобождают его в форме лариатной структуры, а затем сплавляют соседние экзоны вместе. В некоторых случаях некоторые интроны или экзоны могут быть либо удалены, либо сохранены в зрелой мРНК. Этот так называемый альтернативный сплайсинг создает серию различных транскриптов, происходящих из одного гена. Поскольку эти транскрипты потенциально могут транслироваться в различные белки, сплайсинг увеличивает сложность экспрессии эукариотических генов и размер протеома вида .

Обширный процессинг РНК может быть эволюционным преимуществом, которое стало возможным благодаря ядру эукариот. У прокариот транскрипция и трансляция происходят вместе, в то время как у эукариот ядерная мембрана разделяет эти два процесса, давая время для процессинга РНК.

Созревание некодирующей РНК

У большинства организмов некодирующие гены (нкРНК) транскрибируются как предшественники, которые подвергаются дальнейшей обработке. В случае рибосомных РНК (рРНК) они часто транскрибируются как пре-рРНК, которая содержит одну или несколько рРНК. Пре-рРНК расщепляется и модифицируется (2′-O-метилирование и образование псевдоуридина ) в определенных сайтах примерно 150 различными видами РНК, ограниченными малым ядрышком, называемыми мяРНК. SnoRNA связываются с белками, образуя snoRNP. В то время как snoRNA часть пары оснований с целевой РНК и, таким образом, позиционирует модификацию в определенном месте, часть белка выполняет каталитическую реакцию. У эукариот, в частности snoRNP, называемой РНКазой, MRP расщепляет пре-рРНК 45S на 28S, 5.8S и 18S рРНК. Факторы процессинга рРНК и РНК образуют большие агрегаты, называемые ядрышком . [9]

В случае переноса РНК (тРНК), например, 5 ‘последовательность удаляется РНКазы Р , [10] , тогда как 3′ — конец удаляется tRNase Z фермента [11] и необработанного шаблонный 3’ CCA хвост добавляется нуклеотидилтрансферазой . [12] В случае микроРНК (miRNA) , miRNA сначала транскрибируются как первичные транскрипты или pri-miRNA с кэпом и поли-A-хвостом и процессируются в короткие 70-нуклеотидные структуры «ствол-петля», известные как pre-miRNA в ядро клетки ферментами Дроша и Паша . После экспорта он затем обрабатывается до зрелых miRNA в цитоплазме посредством взаимодействия с эндонуклеазой Dicer , которая также инициирует образование РНК-индуцированного комплекса сайленсинга (RISC) , состоящего из белка Argonaute .

Даже snRNAs и snoRNAs сами претерпевают серию модификаций, прежде чем они станут частью функционального комплекса RNP. Это происходит либо в нуклеоплазме, либо в специализированных отделах, называемых тельцами Кахаля . Их основания метилированы или псевдоуридинилированы группой малых специфичных для тельца Кахаля РНК (scaRNAs) , которые структурно сходны с snoRNA.

Экспорт РНК

У эукариот наиболее зрелая РНК должна экспортироваться в цитоплазму из ядра . В то время как некоторые РНК функционируют в ядре, многие РНК транспортируются через ядерные поры в цитозоль . [13] Экспорт РНК требует ассоциации со специфическими белками, известными как экспортины. Специфические молекулы экспортина ответственны за экспорт данного типа РНК. Транспорт мРНК также требует правильной ассоциации с комплексом соединения экзонов (EJC), который гарантирует, что правильный процессинг мРНК завершится перед экспортом. В некоторых случаях РНК дополнительно транспортируются в определенную часть цитоплазмы, например, в синапс ; затем они буксируются моторными белками, которые связываются через линкерные белки с конкретными последовательностями (называемыми «почтовыми индексами») на РНК. [14]

Перевод

Для некоторых РНК (некодирующих РНК) зрелая РНК является конечным генным продуктом. [15] В случае информационной РНК (мРНК) РНК является носителем информации, кодирующим синтез одного или нескольких белков. мРНК, несущая одну последовательность белка (обычная для эукариот), является моноцистронной, в то время как мРНК, несущая несколько белковых последовательностей (обычная для прокариот), известна как полицистронная .

Каждая мРНК состоит из трех частей: 5′-нетранслируемой области (5’UTR), кодирующей белок области или открытой рамки считывания (ORF) и 3′-нетранслируемой области (3’UTR). Кодирующая область несет информацию о синтезе белка, кодируемую генетическим кодом с образованием триплетов. Каждый триплет нуклеотидов кодирующей области называется кодоном и соответствует сайту связывания, комплементарному триплету антикодона в транспортной РНК. Трансферные РНК с одинаковой антикодоновой последовательностью всегда несут идентичный тип аминокислоты . Затем аминокислоты соединяются рибосомой в соответствии с порядком триплетов в кодирующей области. Рибосома помогает переносить РНК для связывания с информационной РНК и берет аминокислоту из каждой переносящей РНК и делает из нее бесструктурный белок. [16] [17] Каждая молекула мРНК транслируется во множество белковых молекул, в среднем

2800 у млекопитающих. [18] [19]

У прокариот трансляция обычно происходит в момент транскрипции (котранскрипции), часто с использованием информационной РНК, которая все еще находится в процессе создания. У эукариот трансляция может происходить в различных областях клетки в зависимости от того, где должен находиться записываемый белок. Основные местоположения — это цитоплазма для растворимых цитоплазматических белков и мембрана эндоплазматического ретикулума для белков, которые предназначены для экспорта из клетки или встраивания в клеточную мембрану . Белки, которые, как предполагается, экспрессируются в эндоплазматическом ретикулуме, распознаются частично в процессе трансляции. Это регулируется частицей распознавания сигнала — белком, который связывается с рибосомой и направляет ее в эндоплазматический ретикулум, когда он находит сигнальный пептид на растущей (формирующейся) аминокислотной цепи. [20]

Складной

Каждый белок существует в виде развернутого полипептида или случайной спирали при трансляции из последовательности мРНК в линейную цепочку аминокислот . У этого полипептида отсутствует развитая трехмерная структура (левая часть соседнего рисунка). Затем полипептид сворачивается в свою характерную и функциональную трехмерную структуру из случайной спирали . [21] Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя четко определенную трехмерную структуру, свернутый белок (правая часть рисунка), известный как нативное состояние . Полученная трехмерная структура определяется аминокислотной последовательностью ( догма Анфинсена ). [22]

Правильная трехмерная структура важна для функционирования, хотя некоторые части функциональных белков могут оставаться развернутыми . [23] Неспособность свернуться в намеченную форму обычно приводит к образованию неактивных белков с различными свойствами, включая токсичные прионы . Считается, что несколько нейродегенеративных и других заболеваний возникают в результате накопления неправильно свернутых белков. [24] Многие аллергии вызваны сворачиванием белков, поскольку иммунная система не вырабатывает антитела для определенных белковых структур. [25]

Ферменты, называемые шаперонами, помогают вновь сформированному белку достичь ( свернуться ) трехмерной структуры, необходимой для его функционирования. [26] Точно так же шапероны РНК помогают РНК достичь своей функциональной формы. [27] Содействие сворачиванию белков — одна из основных ролей эндоплазматического ретикулума у ​​эукариот.

Перемещение

Секреторные белки эукариот или прокариот должны быть перемещены, чтобы войти в секреторный путь. Недавно синтезированные белки направляются в эукариотический канал транслокации Sec61 или прокариотический SecYEG с помощью сигнальных пептидов . Эффективность секреции белка у эукариот очень зависит от используемого сигнального пептида . [28]

Белковый транспорт

Многие белки предназначены для других частей клетки, кроме цитозоля, и широкий спектр сигнальных последовательностей или (сигнальных пептидов) используется для направления белков туда, где они должны находиться. У прокариот это обычно простой процесс из-за ограниченной компартментализации клетки. Однако у эукариот существует множество различных процессов нацеливания, которые гарантируют, что белок попадает в нужную органеллу.

Не все белки остаются в клетке, и многие из них экспортируются, например, пищеварительные ферменты , гормоны и белки внеклеточного матрикса . У эукариот путь экспорта хорошо развит, и основным механизмом экспорта этих белков является транслокация в эндоплазматический ретикулум с последующим транспортом через аппарат Гольджи . [29] [30]

Регулирование экспрессии гена относится к контролю количества и времени появления функционального продукта гена. Контроль экспрессии жизненно важен для того, чтобы позволить клетке производить нужные ей генные продукты, когда они ей нужны; в свою очередь, это дает клеткам возможность адаптироваться к изменчивой среде, внешним сигналам, повреждениям клетки и другим стимулам. В более общем смысле, генная регуляция дает клетке контроль над всей структурой и функцией и является основой клеточной дифференциации , морфогенеза, а также универсальности и приспособляемости любого организма.

Для описания типов генов используются многочисленные термины в зависимости от того, как они регулируются; это включает:

• Конститутивный ген представляет собой ген , который транскрибируется непрерывно , в отличие от факультативного гена, который транскрибируется только тогда , когда это необходимо.
• Гена домашнего хозяйства представляет собой ген , который необходим для поддержания основной клеточной функции и так , как правило , выражается во всех типах клеток организма. Примеры включают актин , GAPDH и убиквитин . Некоторые гены домашнего хозяйства транскрибируются с относительно постоянной скоростью, и эти гены можно использовать в качестве ориентира в экспериментах для измерения скорости экспрессии других генов.
• Факультативный ген представляет собой ген только расшифрован при необходимости , в отличии от конститутивного гена.
• Индуцируемый ген представляет собой ген, экспрессия которого является либо реагировать на изменения окружающей среды , или в зависимости от положения в клеточном цикле.

Можно модулировать любую стадию экспрессии гена, от стадии транскрипции ДНК-РНК до посттрансляционной модификации белка. Стабильность конечного генного продукта, будь то РНК или белок, также влияет на уровень экспрессии гена — нестабильный продукт приводит к низкому уровню экспрессии. В целом экспрессия генов регулируется посредством изменений [31] количества и типа взаимодействий между молекулами [32], которые в совокупности влияют на транскрипцию ДНК [33] и трансляцию РНК. [34]

Вот несколько простых примеров того, где важна экспрессия генов:

• Контроль экспрессии инсулина, чтобы он давал сигнал для регулирования уровня глюкозы в крови .
• Инактивация Х-хромосомы у самок млекопитающих для предотвращения «передозировки» содержащихся в ней генов.
• Уровни экспрессии циклина контролируют прохождение эукариотического клеточного цикла .

Транскрипционная регуляция

Регуляцию транскрипции можно разделить на три основных пути воздействия; генетический (прямое взаимодействие контрольного фактора с геном), модулирующее взаимодействие контрольного фактора с аппаратом транскрипции и эпигенетический (непоследовательные изменения структуры ДНК, влияющие на транскрипцию).

Прямое взаимодействие с ДНК — самый простой и самый прямой метод, с помощью которого белок изменяет уровни транскрипции. Гены часто имеют несколько сайтов связывания белков вокруг кодирующей области со специфической функцией регуляции транскрипции. Существует много классов регуляторных сайтов связывания ДНК, известных как энхансеры , инсуляторы и сайленсеры . Механизмы регуляции транскрипции очень разнообразны: от блокирования ключевых сайтов связывания ДНК для РНК-полимеразы до действия в качестве активатора и стимулирования транскрипции путем содействия связыванию РНК-полимеразы.

Активность факторов транскрипции дополнительно модулируется внутриклеточными сигналами, вызывающими посттрансляционную модификацию белка, включая фосфорилирование , ацетилирование или гликозилирование . Эти изменения влияют на способность фактора транскрипции прямо или косвенно связываться с промоторной ДНК, рекрутировать РНК-полимеразу или способствовать удлинению вновь синтезированной молекулы РНК.

Ядерная мембрана эукариот позволяет дополнительно регулировать факторы транскрипции за счет продолжительности их присутствия в ядре, которое регулируется обратимыми изменениями в их структуре и связыванием других белков. [35] Экологические стимулы или эндокринные сигналы [36] могут вызывать модификацию регуляторных белков [37], вызывая каскады внутриклеточных сигналов [38], которые приводят к регуляции экспрессии генов.

Совсем недавно стало очевидно, что существует значительное влияние не специфичных для ДНК-последовательности эффектов на транскрипцию. Эти эффекты называются эпигенетическими и включают структуру ДНК более высокого порядка, ДНК-связывающие белки, не связанные с последовательностью, и химическую модификацию ДНК. В целом эпигенетические эффекты изменяют доступность ДНК для белков и, таким образом, модулируют транскрипцию.

У эукариот структура хроматина , контролируемая гистоновым кодом , регулирует доступ к ДНК со значительным влиянием на экспрессию генов в областях эухроматина и гетерохроматина .

Энхансеры, факторы транскрипции, медиаторный комплекс и петли ДНК в транскрипции млекопитающих

Экспрессия генов у млекопитающих регулируется многими цис-регуляторными элементами , в том числе коровыми промоторами и промоторными проксимальными элементами , которые расположены рядом с сайтами начала транскрипции генов, выше ДНК (по направлению к 5′-области смысловой цепи ). Другие важные цис-регуляторные модули локализованы в участках ДНК, удаленных от сайтов старта транскрипции. К ним относятся усилители , глушители , изоляторы и элементы привязи. [39] Среди этой совокупности элементов энхансеры и связанные с ними факторы транскрипции играют ведущую роль в регуляции экспрессии генов. [40]

Энхансеры — это участки генома, которые являются основными регулирующими генами элементами. Энхансеры управляют программами экспрессии генов, специфичных для определенного типа клеток, чаще всего путем обхода больших расстояний, чтобы оказаться в физической близости с промоторами своих генов-мишеней. [41] Множественные энхансеры, каждый часто на десятках или сотнях тысяч нуклеотидов, удаленных от своих генов-мишеней, замыкаются на промоторах своих генов-мишеней и координируются друг с другом для контроля экспрессии их общего гена-мишени. [41]

На схематической иллюстрации слева показан энхансер, который зацикливается и находится в непосредственной физической близости с промотором целевого гена. Петля стабилизируется димером соединительного белка (например, димером CTCF или YY1 ), при этом один член димера прикреплен к его мотиву связывания на энхансере, а другой член прикреплен к его мотиву связывания на промоторе (представленном красные зигзаги на иллюстрации). [42] Несколько факторов транскрипции, специфичных для клеточных функций (в клетке человека около 1600 факторов транскрипции [43] ), как правило, связываются со специфическими мотивами на энхансере [44] и небольшой комбинацией этих факторов транскрипции, связанных с энхансером, при сближении. к промотору с помощью петли ДНК, регулируют уровень транскрипции целевого гена. Медиатор (комплекс, обычно состоящий из примерно 26 белков во взаимодействующей структуре) передает регуляторные сигналы от энхансерных ДНК-связанных факторов транскрипции непосредственно ферменту РНК-полимераза II (pol II), связанному с промотором. [45]

Энхансеры, когда они активны, обычно транскрибируются с обеих цепей ДНК с РНК-полимеразами, действующими в двух разных направлениях, производя две эРНК, как показано на рисунке. [46] Неактивный энхансер может быть связан с неактивным фактором транскрипции. Фосфорилирование фактора транскрипции может активировать его, и этот активированный фактор транскрипции может затем активировать энхансер, с которым он связан (см. Маленькую красную звездочку, представляющую фосфорилирование фактора транскрипции, связанного с энхансером, на иллюстрации). [47] Активированный энхансер начинает транскрипцию своей РНК перед активацией транскрипции информационной РНК из своего гена-мишени. [48]

Метилирование и деметилирование ДНК в регуляции транскрипции

Метилирование ДНК является широко распространенным механизмом эпигенетического влияния на экспрессию генов, наблюдается у бактерий и эукариот и играет роль в наследуемом подавлении транскрипции и регуляции транскрипции. Чаще всего метилирование происходит по цитозину (см. Рисунок). Метилирование цитозина в основном происходит в динуклеотидных последовательностях, где за цитозином следует гуанин, сайт CpG . Количество CpG-сайтов в геноме человека составляет около 28 миллионов. [49] В зависимости от типа клетки около 70% сайтов CpG имеют метилированный цитозин. [50]

Метилирование цитозина в ДНК играет важную роль в регуляции экспрессии генов. Метилирование CpG в промоторной области гена обычно подавляет транскрипцию гена [51], в то время как метилирование CpG в теле гена увеличивает экспрессию. [52] Ферменты ТЕТ играют центральную роль в деметилировании метилированных цитозинов. Деметилирование CpG в промоторе гена за счет активности фермента TET увеличивает транскрипцию гена. [53]

Транскрипционная регуляция в обучении и памяти

У крыс условное кондиционирование страха (CFC) — болезненный процесс обучения. Всего один эпизод CFC может вызвать воспоминания о страхе на всю жизнь. [54] После эпизода CFC метилирование цитозина изменяется в промоторных областях примерно 9,17% всех генов в ДНК нейрона гиппокампа крысы. [55] гиппокамп , где новые воспоминания изначально хранятся. После CFC около 500 генов увеличили транскрипцию (часто из-за деметилирования сайтов CpG в промоторной области) и около 1000 генов снизили транскрипцию (часто из-за вновь образованного 5-метилцитозина на сайтах CpG в промоторной области). Паттерн индуцированных и репрессированных генов в нейронах, по-видимому, обеспечивает молекулярную основу для формирования первой временной памяти об этом тренировочном событии в гиппокампе мозга крысы. [55]

В частности, ген нейротрофического фактора мозга ( BDNF ) известен как «ген обучения». [56] После CFC произошла повышенная регуляция экспрессии гена BDNF , связанная со снижением CpG-метилирования определенных внутренних промоторов гена, и это коррелировало с обучением. [56]

Регуляция транскрипции при раке

Большинство промоторов генов содержат островок CpG с многочисленными сайтами CpG . [57] Когда многие промоторные сайты CpG гена метилированы, ген заглушается. [58] Колоректальный рак обычно имеет от 3 до 6 мутаций водителя и от 33 до 66 мутаций автостопщика или пассажира. [59] Однако подавление транскрипции может иметь большее значение, чем мутации, в развитии рака. Например, при колоректальном раке от 600 до 800 генов транскрипционно подавляются метилированием CpG-островков (см. Регуляцию транскрипции при раке ). Репрессия транскрипции при раке также может происходить за счет других эпигенетических механизмов, таких как измененная экспрессия микроРНК . [60] При раке груди репрессия транскрипции BRCA1 может происходить чаще за счет сверхэкспрессии микроРНК-182, чем за счет гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке груди и яичников ).

Посттранскрипционная регуляция

Считается, что у эукариот экспорт РНК необходим для того, чтобы трансляция стала возможной, ядерный экспорт обеспечивает дополнительный контроль над экспрессией генов. Весь транспорт в ядро ​​и из ядра осуществляется через ядерную пору, и транспорт контролируется широким спектром белков импортина и экспортина .

Экспрессия гена, кодирующего белок, возможна только в том случае, если информационная РНК, несущая код, выживет достаточно долго, чтобы ее можно было транслировать. В типичной клетке молекула РНК стабильна только в том случае, если она специально защищена от деградации. Деградация РНК имеет особое значение для регуляции экспрессии в эукариотических клетках, где мРНК должна пройти значительные расстояния, прежде чем будет транслироваться. У эукариот РНК стабилизируется с помощью определенных посттранскрипционных модификаций, особенно 5′-кэпа и полиаденилированного хвоста .

Преднамеренная деградация мРНК используется не только как механизм защиты от чужеродной РНК (обычно от вирусов), но также как путь дестабилизации мРНК . Если молекула мРНК имеет последовательность, комплементарную небольшой мешающей РНК, то она нацелена на разрушение посредством пути интерференции РНК.

Три первичных нетранслируемых области и микроРНК

Три первичных нетранслируемых области (3’UTR) информационных РНК (мРНК) часто содержат регуляторные последовательности, которые посттранскрипционно влияют на экспрессию генов. Такие 3′-UTR часто содержат как сайты связывания для микроРНК (miRNA), так и для регуляторных белков. Связываясь со специфическими сайтами в 3′-UTR, miRNA могут снижать экспрессию генов различных мРНК, либо ингибируя трансляцию, либо напрямую вызывая деградацию транскрипта. 3′-UTR также может иметь области сайленсера, которые связывают репрессорные белки, которые ингибируют экспрессию мРНК.

3′-UTR часто содержит элементы ответа микроРНК (MRE) . MRE представляют собой последовательности, с которыми связываются миРНК. Это преобладающие мотивы в 3′-UTR. Среди всех регуляторных мотивов в 3′-UTR (например, включая области сайленсеров) MRE составляют около половины мотивов.

По состоянию на 2014 г. веб-сайт miRBase , [61] архив последовательностей и аннотаций miRNA , перечислил 28 645 записей о 233 биологических видах. Из них 1881 miRNA находились в аннотированных локусах miRNA человека. Предполагалось, что miRNA содержат в среднем около четырехсот целевых мРНК (влияющих на экспрессию нескольких сотен генов). [62] Фридман и др. [62] подсчитали, что> 45 000 сайтов-мишеней miRNA в 3’UTR мРНК человека консервативны выше фоновых уровней, и более 60% генов, кодирующих белки человека, находились под селективным давлением для поддержания спаривания с miRNA.

Прямые эксперименты показывают, что одна миРНК может снизить стабильность сотен уникальных мРНК. [63] Другие эксперименты показывают, что одна miRNA может подавлять продукцию сотен белков, но эта репрессия часто бывает относительно мягкой (менее чем в 2 раза). [64] [65]

Эффекты нарушения регуляции экспрессии генов miRNA, по-видимому, важны при раке. [66] Например, при раке желудочно-кишечного тракта девять миРНК были идентифицированы как эпигенетически измененные и эффективные в подавлении регуляции ферментов репарации ДНК. [67]

Эффекты дисрегуляции экспрессии генов miRNA также, по-видимому, важны при нейропсихиатрических расстройствах, таких как шизофрения, биполярное расстройство, большая депрессия, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и расстройства аутистического спектра. [68] [69]

Переводческое регулирование

Прямая регуляция трансляции менее распространена, чем контроль транскрипции или стабильности мРНК, но иногда используется. Ингибирование трансляции белков является основной мишенью для токсинов и антибиотиков , поэтому они могут убить клетку, подавляя ее нормальный контроль экспрессии генов. Ингибиторы синтеза белка включают антибиотик неомицин и токсин рицин .

Посттрансляционные модификации

Посттрансляционные модификации (PTM) — это ковалентные модификации белков. Как и сплайсинг РНК, они помогают значительно разнообразить протеом. Эти модификации обычно катализируются ферментами. Кроме того, такие процессы, как ковалентное добавление к остаткам боковой цепи аминокислот, часто могут быть обращены другими ферментами. Однако некоторые из них, например протеолитическое расщепление основной цепи белка, необратимы. [70]

ПТМ играют в клетке множество важных ролей. [71] Например, фосфорилирование в первую очередь участвует в активации и деактивации белков и в сигнальных путях. [72] PTMs участвуют в регуляции транскрипции: важной функцией ацетилирования и метилирования является модификация гистонового хвоста, которая изменяет доступность ДНК для транскрипции. [70] Их также можно увидеть в иммунной системе, где гликозилирование играет ключевую роль. [73] Один тип ПТМ может инициировать другой тип ПТМ, как видно из того, как убиквитинирование помечает белки для деградации посредством протеолиза. [70] Протеолиз, помимо участия в расщеплении белков, также важен для их активации и деактивации, а также для регулирования биологических процессов, таких как транскрипция ДНК и гибель клеток. [74]

Измерение экспрессии генов является важной частью многих наук о жизни , поскольку возможность количественно оценить уровень экспрессии конкретного гена в клетке, ткани или организме может предоставить много ценной информации. Например, измерение экспрессии генов может:

• Определите вирусную инфекцию клетки ( экспрессию вирусного белка ).
• Определите предрасположенность человека к раку ( экспрессия онкогена ).
• Определите, устойчива ли бактерия к пенициллину ( экспрессия бета-лактамазы ).

Точно так же анализ местоположения экспрессии белка является мощным инструментом, и это может быть сделано в масштабе организма или клетки. Исследование локализации особенно важно для изучения развития многоклеточных организмов и как индикатор функции белка в отдельных клетках. В идеале измерение экспрессии осуществляется путем обнаружения конечного генного продукта (для многих генов это белок); однако часто бывает легче обнаружить один из предшественников, обычно мРНК, и сделать вывод об уровнях экспрессии генов по этим измерениям.

количественное определение мРНК

Уровни мРНК можно количественно измерить с помощью нозерн-блоттинга , который предоставляет информацию о размере и последовательности молекул мРНК. Образец РНК отделяют на агарозном геле и гибридизуют с радиоактивно меченным РНК-зондом, который комплементарен целевой последовательности. Затем радиоактивно меченную РНК выявляют авторадиографом . Поскольку использование радиоактивных реагентов делает процедуру трудоемкой и потенциально опасной, были разработаны альтернативные методы маркировки и обнаружения, такие как химический состав дигоксигенина и биотина. Предполагаемые недостатки Нозерн-блоттинга заключаются в том, что требуются большие количества РНК и что количественное определение может быть не совсем точным, поскольку оно включает измерение силы полосы на изображении геля. С другой стороны, дополнительная информация о размере мРНК из Нозерн-блоттинга позволяет различать транскрипты с попеременным сплайсингом.

Другой подход к измерению количества мРНК — это RT-qPCR. В этом методе за обратной транскрипцией следует количественная ПЦР . Обратная транскрипция сначала генерирует матрицу ДНК из мРНК; эта одноцепочечная матрица называется кДНК . Затем матрицу кДНК амплифицируют на этапе количественного анализа, во время которого флуоресценция, испускаемая мечеными зондами гибридизации или интеркалирующими красителями, изменяется по мере продвижения процесса амплификации ДНК . С помощью тщательно построенной стандартной кривой кПЦР может произвести абсолютное измерение количества копий исходной мРНК, обычно в единицах копий на нанолитр гомогенизированной ткани или копий на клетку. КПЦР очень чувствительна (теоретически возможно обнаружение одной молекулы мРНК), но может быть дорогостоящей в зависимости от типа используемого репортера; флуоресцентно меченые олигонуклеотидные зонды дороже, чем неспецифические интеркалирующие флуоресцентные красители.

Для профилирования экспрессии или высокопроизводительного анализа многих генов в образце количественная ПЦР может выполняться для сотен генов одновременно в случае массивов с низкой плотностью. Второй подход — это микрочип гибридизации . Один массив или «чип» может содержать зонды для определения уровней транскрипта для каждого известного гена в геноме одного или нескольких организмов. В качестве альтернативы можно использовать технологии «на основе тегов», такие как последовательный анализ экспрессии генов (SAGE) и RNA-Seq , которые могут обеспечить относительную меру клеточной концентрации различных мРНК. Преимуществом методов на основе тегов является «открытая архитектура», позволяющая точно измерить любой транскрипт с известной или неизвестной последовательностью. Секвенирование следующего поколения (NGS), такое как RNA-Seq, — это еще один подход, позволяющий получить огромное количество данных о последовательностях, которые можно сопоставить с эталонным геномом. Хотя NGS является сравнительно трудоемким, дорогостоящим и ресурсоемким, он может идентифицировать однонуклеотидные полиморфизмы , варианты сплайсинга и новые гены, а также может использоваться для профилирования экспрессии в организмах, для которых имеется мало информации о последовательности или ее нет. .

Профили РНК в Википедии

Подобные профили можно найти почти для всех белков, перечисленных в Википедии. Они созданы такими организациями, как Институт геномики исследовательского фонда Novartis и Европейский институт биоинформатики . Дополнительную информацию можно найти, выполнив поиск в их базах данных (для примера изображенного здесь транспортера GLUT4 см. Ссылку). [75] Эти профили показывают уровень экспрессии ДНК (и, следовательно, продуцируемой РНК) определенного белка в определенной ткани и имеют соответствующую цветовую кодировку на изображениях, расположенных в блоке для белков с правой стороны каждой страницы Википедии.

Количественное определение белка

Для генов, кодирующих белки, уровень экспрессии можно напрямую оценить с помощью ряда методов с некоторыми четкими аналогиями с методами количественной оценки мРНК.

Наиболее часто используемый метод [ необходима ссылка ] — это выполнение вестерн-блоттинга интересующего белка — это дает информацию о размере белка в дополнение к его идентичности. Образец (часто клеточный лизат ) отделяют на полиакриламидном геле , переносят на мембрану и затем исследуют антителом к интересующему белку. Антитело можно конъюгировать либо с флуорофором, либо с пероксидазой хрена для визуализации и / или количественной оценки. Гелевый характер этого анализа делает количественную оценку менее точной, но он имеет то преимущество, что позволяет идентифицировать более поздние модификации белка, например протеолиз или убиквитинирование, по изменению размера.

корреляция мРНК-белок

Количественное определение белка и мРНК позволяет корреляцию двух уровней. Вопрос о том, насколько хорошо уровни белка коррелируют с соответствующими уровнями транскриптов, очень обсуждается и зависит от множества факторов. Регуляция на каждом этапе экспрессии гена может влиять на корреляцию, как показано для регуляции трансляции [19] или стабильности белка. [76] Посттрансляционные факторы, такие как транспорт белка в высокополярных клетках, [77] также могут влиять на измеренную корреляцию мРНК-белок.

Локализация

Анализ выражения не ограничивается количественной оценкой; локализация также может быть определена. мРНК может быть обнаружена с помощью соответствующим образом меченой комплементарной цепи мРНК, а белок может быть обнаружен с помощью меченых антител. Затем исследуемый образец исследуют под микроскопом, чтобы определить, где находится мРНК или белок.

Путем замены гена новой версией, слитой с зеленым флуоресцентным белком (или подобным) маркером, экспрессия может быть непосредственно определена количественно в живых клетках. Это делается путем визуализации с помощью флуоресцентного микроскопа . Очень сложно клонировать слитый с GFP белок в его естественное место в геноме, не влияя на уровни экспрессии, поэтому этот метод часто нельзя использовать для измерения экспрессии эндогенного гена. Однако он широко используется для измерения экспрессии гена, искусственно введенного в клетку, например, с помощью вектора экспрессии . Важно отметить, что путем слияния целевого белка с флуоресцентным репортером поведение белка, включая его клеточную локализацию и уровень экспрессии, может быть значительно изменено.

Иммуноферментный анализ работает с использованием антител , иммобилизованные на микротитрационный планшет , чтобы захватить интерес белки из образцов , добавленных в скважину. Используя детектирующее антитело, конъюгированное с ферментом или флуорофором, количество связанного белка можно точно измерить флуорометрическим или колориметрическим детектированием. Процесс обнаружения очень похож на Вестерн-блоттинг, но, избегая стадий геля, можно достичь более точной количественной оценки.

Система экспрессии — это система, специально разработанная для производства выбранного генного продукта. Обычно это белок, хотя также может быть РНК, такая как тРНК или рибозим . Система экспрессии состоит из гена, обычно кодируемого ДНК , и молекулярного аппарата, необходимого для транскрипции ДНК в мРНК и трансляции мРНК в белок с использованием предоставленных реагентов. В самом широком смысле это включает в себя каждую живую клетку, но этот термин чаще используется для обозначения экспрессии как лабораторного инструмента. Поэтому экспрессионная система зачастую в некотором роде искусственна. Однако системы экспрессии — это естественный процесс. Вирусы — отличный пример того, как они реплицируются с использованием клетки-хозяина в качестве системы экспрессии вирусных белков и генома.

Индуцируемое выражение

Доксициклин также используется в контролируемой тетрациклином активации транскрипции «Tet-on» и «Tet-off» для регулирования экспрессии трансгена в организмах и культурах клеток .

В природе

В дополнение к этим биологическим инструментам, некоторые наблюдаемые естественным образом конфигурации ДНК (гены, промоторы, энхансеры, репрессоры) и связанный с ними механизм сами по себе называются системой экспрессии. Этот термин обычно используется в случае, когда ген или набор генов включается при четко определенных условиях, например, система экспрессии простого переключения репрессора в фаге лямбда и система оператора lac у бактерий. Несколько систем естественной экспрессии непосредственно используются или модифицируются и используются для искусственных систем экспрессии, таких как системы экспрессии Tet-on и Tet-off .

Гены иногда рассматриваются как узлы в сети, где входными данными являются белки, такие как факторы транскрипции , а выходными данными — уровень экспрессии генов. Сам узел выполняет функцию, и работа этих функций интерпретируется как выполнение своего рода обработки информации в ячейках и определяет поведение ячейки.

Генные сети также могут быть построены без формулирования явной причинно-следственной модели. Это часто имеет место при сборке сетей из больших наборов данных выражений. [78] Ковариация и корреляция экспрессии вычисляются по большой выборке случаев и измерений (часто данные транскриптома или протеома ). Источник вариации может быть экспериментальным или естественным (наблюдательным). Существует несколько способов построения сетей экспрессии генов, но один общий подход состоит в том, чтобы вычислить матрицу всех попарных корреляций экспрессии по условиям, временным точкам или индивидуумам и преобразовать матрицу (после определения порога при некотором пороговом значении) в графическое представление, в котором узлы представляют гены, транскрипты или белки, а ребра, соединяющие эти узлы, представляют силу ассоциации (см. [1] ). [79]

Следующие экспериментальные методы используются для измерения экспрессии генов и перечислены примерно в хронологическом порядке, начиная с более старых, более устоявшихся технологий. Они делятся на две группы в зависимости от степени их мультиплексности .

• Техники низкого и среднего сплетения:
  • Репортерный ген
  • Нозерн-блот
  • Вестерн-блоттинг [80]
  • Флуоресцентная гибридизация in situ
  • ПЦР с обратной транскрипцией
• Техники высшего сплетения:
  • МУДРЕЦ [81]
  • ДНК-микрочип [82]
  • Массив листов [83]
  • РНК-Seq [84]

Источник